呂祎，張子陽，向立明(湖北文理學院，湖北 襄陽 441000）

柴油機顆粒物排放特性分析

呂祎，張子陽，向立明
(湖北文理學院，湖北 襄陽 441000）

采用N anom et3內(nèi)燃機顆粒物分析測試儀對一臺單缸柴油機進行了尾氣顆粒物排放特性的實驗研究。結(jié)果表明：在負荷特性實驗中，柴油機顆粒物個數(shù)、質(zhì)量、肺表面沉積濃度指標隨著扭矩增加呈緩慢上升趨勢，顆粒物粒徑呈多峰狀態(tài)；在速度特性實驗中，柴油機各項指標均呈多峰分布。在兩種工況下，生物柴油燃燒尾氣顆粒物濃度比純柴油要低很多，速度特性實驗中顆粒物粒徑遠大于純柴油粒徑。

柴油機；顆粒物；濃度；粒徑

動植物油脂經(jīng)酯交換工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橹辨溨舅釂熙?，稱為生物柴油，其燃料特性與石化柴油非常接近[1]。大量的研究結(jié)果表明，柴油發(fā)動機排放的顆粒物不僅污染環(huán)境，而且可能對人體呼氣系統(tǒng)造成重大傷害，甚至發(fā)生遺傳性基因突變[2]。

1 柴油物化性質(zhì)

1.1 理化指標

生物柴油主要有C、H、O三種元素組成，其主要是由軟脂酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等長鏈飽和（或不飽和）脂肪酸與醇類物質(zhì)所形成的脂類化合物。表1為純生物柴油與純柴油的理化指標比較。

1.2 燃燒排放特性

柴油機的尾氣顆粒物主要成分是碳、碳水化合物和硫化物等[3]。表2為生物柴油和純柴油的排放特性。

1.3 柴油燃料排放標準

目前國際上通用的柴油機尾氣排放標準[4]，均基于對顆粒物質(zhì)量濃度的測量[5]。表3為歐洲車用柴油及排放標準，我國環(huán)保部門制定的柴油機排放標準如表4。

2 顆粒物排放特性對比實驗

2.1 實驗設(shè)備及材料

實驗儀器設(shè)備見表5 。

2.2 實驗結(jié)果與分析

在發(fā)動機臺架上分別進行了1 200 r/min和60%油門開度下的負荷特性和速度特性實驗，對比純柴油和純生物柴油尾氣顆粒物排放。

2.2.1 個數(shù)濃度

表1 純生物柴油PD和純0號柴油PB的理化特性指標

表2 純生物柴油PD和純0號柴油PB的排放特性比較

表3 歐洲車用柴油機排放標準

表4 我國柴油機排放標準

表5 實驗儀器設(shè)備

圖1 顆粒物個數(shù)濃度變化曲線

圖1a和圖1b分別是負荷特性和速度特性實驗中尾氣顆粒物個數(shù)濃度變化曲線。純生物柴油尾氣顆粒物平均個數(shù)濃度遠低于純柴油。在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，隨著柴油發(fā)動機扭矩增大，顆粒物個數(shù)濃度先是緩慢增加，至80 N.m后，顆粒物濃度急劇升高，純柴油最高點濃度約為1.8×108比純生物柴油顆粒物濃度高出1個數(shù)量級。純柴油燃燒受發(fā)動機工況影響較大，其個數(shù)濃度變化曲線波動較純生物柴油多，分別在40 N.m和80 N.m出現(xiàn)兩個谷點，純柴油最低點濃度約為7×107比純生物柴油顆粒物濃度低1個數(shù)量級。

在60%油門開度下，隨著柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大，顆粒物個數(shù)濃度呈現(xiàn)多峰[6]，純柴油尾氣顆粒物在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下個數(shù)濃度數(shù)量級達1.7×108。純生物柴油尾氣顆粒物在1 000 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速下處于峰值點，且1 500 r/min時濃度比1 000 r/min下降1個數(shù)量級。在怠速800 r/min時，純生物柴油顆粒物個數(shù)濃度為6×107，比純柴油濃度低1個數(shù)量級。在1 200 r/min時，純柴油顆粒物個數(shù)濃度急劇下降至5×107，比同工況下純生物柴油濃度略低?？梢?，純生物柴油在怠速和高速工況下，顆粒物個數(shù)濃度遠比純柴油低，中低轉(zhuǎn)速顆粒物個數(shù)卻比純柴油略高。

2.2.2 顆粒物粒徑

圖2是兩種燃料尾氣顆粒物粒徑變化曲線。在1 200 r/min負荷特性實驗中，隨著扭矩增大，純生物柴油尾氣顆粒物粒徑逐漸增大，范圍約在50~90 nm；純柴油尾氣呈現(xiàn)多峰，在40 N.m時，顆粒物粒徑最高至135 nm約為同工況點純生物柴油顆粒物粒徑的2倍，其他工況點的粒徑基本保持在60~110 nm之間[7]。

圖2 顆粒物粒徑變化曲線

在60%油門開度下，純生物柴油顆粒物平均粒徑要比純柴油大18 nm。在800~1 700 r/min工況點，純生物柴油顆粒物粒徑約為85~105 nm，比相同工況點純柴油顆粒物粒徑大約30 nm。60%/1 700 r/min之后，呈現(xiàn)相反趨勢，純生物柴油顆粒物粒徑急劇減小至60 nm，而純柴油粒徑逐漸增大至95 nm?？梢?，在大負荷高轉(zhuǎn)速工況下，純生物柴油的粒徑逐漸變小，且小于純柴油顆粒物的粒徑。

2.2.3 顆粒物質(zhì)量濃度

圖3e和圖3f分別為兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線。負荷特性顆粒物質(zhì)量濃度變化與圖1個數(shù)濃度變化趨勢比較接近。在1 200 r/min時，隨著發(fā)動機扭矩增大，兩種燃料的顆粒物質(zhì)量濃度均逐漸增大，純生物柴油在70 N.m以前質(zhì)量濃度增速較緩，在70 N.m之后急劇升高至40 mg/m3；純柴油在40 N.m時波動至9.27 mg/m3，至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.66 mg/ m3。在圖3f中60%油門開度下，兩種燃料顆粒物質(zhì)量濃度都隨著柴油機扭矩增大呈現(xiàn)雙峰型。純生物柴油在1 050 r/min和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達到56 mg/m3，在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至1.8 mg/m3。純柴油在900 r/min和1 700 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達到41 mg/m3和59 mg/m3，在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間的質(zhì)量濃度，純柴油在1 100 r/min處的質(zhì)量濃度最小約為19 mg/m3，比純生物柴油低約33 mg/m3。可見，在60%油門開度中低轉(zhuǎn)速工況，純柴油顆粒物質(zhì)量濃度要遠小于純生物柴油的顆粒物質(zhì)量濃度，這與此時純生物柴油個數(shù)濃度高有一定相關(guān)性。

圖3 顆粒物質(zhì)量濃度變化曲線

2.2.4 顆粒物肺表面沉積濃度

圖4g和圖4h分別為負荷特性和速度特性實驗中顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線。在1 200 r/min下，隨著發(fā)動機扭矩增大，兩種燃料的顆粒物肺表面沉積濃度均逐漸增大，純生物柴油在70 N.m以前沉積濃度增速較緩，在70 N.m之后急劇升高至1.1×105um2/ccm；純柴油在40 N.m時波動至5.3×104um2/ccm，至50 N.m時質(zhì)量濃度最低為2.8×104um2/ccm。對比相同工況下顆粒物個數(shù)和數(shù)量濃度變化，可看出肺表面沉積濃度與這兩個參數(shù)有很大關(guān)系。

在60%油門開度下，兩種燃料尾氣顆粒物肺表面沉積濃度呈現(xiàn)雙峰。純生物柴油在1 050和1 550 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度達到5.2×105um2/ccm和4.4×105um2/ ccm，在1 550 r/min轉(zhuǎn)速后顆粒物質(zhì)量濃度急劇下降至6.4×104um2/ccm。純柴油在900 r/min和1 600 r/min轉(zhuǎn)速下質(zhì)量濃度分別達到5.6×105um2/ccm和5.4×105um2/ccm，在1 700 r/min后質(zhì)量濃度也呈迅速下降趨勢。對比兩種燃料1 000~1 550 r/min之間肺表面沉積濃度，純柴油在1 150 r/min處沉積濃度最小約為2.2×105um2/ccm，比純生物柴油低約一倍。由于純生物柴油平均粒徑比純柴油大約20 nm，使得在怠速和高轉(zhuǎn)速工況下，純生物柴油顆粒物肺表面沉積濃度遠小于純柴油。

圖4 顆粒物肺表面沉積濃度變化曲線

3 結(jié)論

（1）在負荷特性實驗中，純柴油顆粒物平均粒徑要比純生物柴油大。在大扭矩工況下，純柴油的顆粒物個數(shù)、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都遠大于純生物柴油。（2）在速度特性實驗中，在中等轉(zhuǎn)速工況點，純生物柴油顆粒物的個數(shù)、粒徑、質(zhì)量和肺表面沉積濃度都比純柴油大。在怠速區(qū)和高轉(zhuǎn)速區(qū)，純生物柴油顆粒物的個數(shù)濃度和肺表面沉積濃度卻比純柴油的顆粒物要低。（3）經(jīng)過以上實驗驗證，純生物柴油完全可以作為一種新型替代燃料，為了進一步降低中等轉(zhuǎn)速的顆粒物排放濃度，可將兩種燃料進行混合配比燃燒。

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“機電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學科群2016年開放基金項目(XKQ2016014)。